KR101601826B1 - 3파 혼합 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템 - Google Patents

3파 혼합 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템 Download PDF

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김현민
정순문
주경일
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재단법인대구경북과학기술원
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Abstract

본 발명은 3파 혼합 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템이 개시된다. 펨토초(femto second, fs) 펄스파를 가지는 펌프광 및 스톡스광을 출사하는 광원부, 출사된 펌프광을 분할하여 제1 펌프광 및 제2 펌프광을 생성하는 제1 빔스플리터(beam splitter, BS), 생성된 제1 펌프광의 거리를 조절하는 제1 전이부(translation stage, TS), 생성된 제2 펌프광의 거리를 조절하는 제2 전이부, 조절된 제1 펌프광 및 제2 펌프광을 결합하여 제3 펌프광을 생성하는 제2 빔스플리터, 생성된 제3 펌프광 및 스톡스광을 공간적으로 평행을 유지시키는 이색미러(dichroic mirror, DM) 및 평행된 제3 펌프광 및 스톡스광을 입사받아 시편의 실시간 이미징을 하는 공초점 현미경을 포함한다.

Description

3파 혼합 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템{Three-wave mixing time-resolved coherent anti-stokes Raman microscopy system}
본 발명은 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 3파 혼합 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템에 관한 것이다.
20세기 초엽부터 발전되기 시작해온 현미경 기술은 다양한 염색기술과의 조합을 통해서만 분석대상의 양이나 움직임 등을 좀 더 능동적으로 분석해 낼 수 있게 되었다. 이러한 현광 이미징 기술은 생명체의 유전자를 RNA로 자연스럽게 조절하여 형광 단백질을 내부에서 생기게 함으로써 분석대상을 외부인자의 최소한에 대한 영향 하에서, 거의 있는 그대로 관찰할 수 있을 정도로 발전되었다.
하지만 이러한 방법 역시 25kDa 정도의 큰 물체에 대한 형광에 물질분석이 의존되고 있다. 따라서, 이보다 작은 물질을 분석하거나, 형광 단백질보다 작은 염색약을 이용하는 경우, 물리적인 접촉을 엄격히 제한하는 생명현상의 연구에서 그 한계점이 노출되고 있기 때문에, 생명체의 대사관계에 대한 궁극적인 이해는 이러한 것들이 요구되지 않는 전혀 새로운 방법 하에서만 이루어질 수 있다.
1999년 하버드 대학에서 안정적인 티나늄-사파이어(Ti:sapphire) 계열의 초고속 펨토초 레이저를 기반으로 분자진동에 민감한 화학 이미징 기술인 결맞음 반스톡스 라만 산란(coherent anti-Stokes Ranan scattering, CARS) 현미경을 개발한 후, 그 기술이 비약적으로 발전하여 2008년에는 신호 대 배경의 잡음비가 비약적으로 향상된 촉진 라만 산란(stimulated Raman scattering, SRS) 현미경이 개발되는 단계에 이르게 되었다.
특별히, 이러한 결맞음 라만계열의 현미경은 현재 염색기술의 도움없이 제한된 영역의 단백질 분석 및 리피드의 양과 종류의 분석에 탁월한 능력을 발휘하는 것으로 보고되고 있다. 하지만 이러한 기술들이 가지는 이미징의 한계는 분자 진동의 영역에 이르는 펨토초 영역에 대한 분해능을 가지짖 않을 경우, 그 응용 범위가 심각하게 제한을 받을 수 있게 되는 점이다.
이러한 시간분해능을 확보하기 위해, 하버드 대학에서 2002년에 시간분해능이 첨가된 CARS 현미경을 개발하는데 성공하여 폴리스티렌과 같은 기본적인 물질 분석을 통해 시공간분해능을 동시에 가지는 분광현미경이 가능함을 예시하였다. 하지만 이 경우 증폭을 필요로 하는 펨토초 레이저를 사용해야하는 단점이 있어 샘플에 가해지는 데미지나 비용문제가 발생하였다.
이를 개선한 현미경이 2014년 네이처 포토닉스(Nature photonics)에 발표되었으며, 본 발명은 그 결과에 상응하는 성능을 좀 더 높은 파장 자유도와 안정성을 보유하는 현미경에 관한 것이다.
한국등록특허공보 제10-0826593호는 기준시료와 측정시료를 통과한 빔의 간섭성을 이용하여 이미징하도록 하는 연속신호생성 방식 비선형 간섭성 반스톡스 라만산란 이미징 장치에 관한 것이다.
한국등록특허공보 제10-0973149호는 라만변이만큼 주파수 차이를 가진 두 광원의 분광분산을 공간적으로 엔코딩한 후, 측정하려는 시료 위치에서 두 레이저 빔을 겹치게 하여 간섭성 반스톡스 라만산란 신호의 공간적 분포를 얻을 수 있게 하는 분광엔코딩 방법을 적용한 간섭성 반스톡스 라만산란 내시경에 관한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다양한 나노구조체 또는 바이오 물질에 대해 별도의 염료 처리없이 300㎚정도의 공간분해능을 가지고 120fs정도의 시간분해능을 부여하여 물질의 진동현상을 형상화하는 3파 혼합 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해,
본 발명에 따른 3파 혼합 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템은,
펨토초(femto second, fs) 펄스파를 가지는 펌프광 및 스톡스광을 출사하는 광원부, 상기 출사된 펌프광을 분할하여 제1 펌프광 및 제2 펌프광을 생성하는 제1 빔스플리터(beam splitter, BS), 상기 생성된 제1 펌프광의 거리를 조절하는 제1 전이부(translation stage, TS), 상기 생성된 제2 펌프광의 거리를 조절하는 제2 전이부, 상기 조절된 제1 펌프광 및 제2 펌프광을 결합하여 제3 펌프광을 생성하는 제2 빔스플리터, 상기 생성된 제3 펌프광 및 상기 스톡스광을 공간적으로 평행을 유지시키는 이색미러(dichroic mirror, DM) 및 상기 평행된 제3 펌프광 및 스톡스광을 입사받아 시편의 실시간 이미징을 하는 공초점 현미경을 포함한다.
상기 광원부에서 출사되는 광의 강도(intensity)를 조절하는 복수의 반파장판(half-wave plate, HWP), 상기 반파장판을 통과한 광의 편광을 검출하는 복수의 광편광판(light polarizer, LP) 및 상기 광의 직경을 늘려주는 복수의 빔익스팬더(beam expander, BE)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 광원부는, 상기 펌프광 및 상기 스톡스광을 출사하는 펨토초 이중 오실레이터(femto second dual oscillator)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 펌프광 및 상기 스톡스광은, 50fs 내지 200fs의 시간분해능을 포함하고, 50MHz 내지 100MHz의 주파수를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 광원부는, 상기 펌프광의 파장을 500㎚ 내지 1500㎚로 가변하고, 상기 스톡스광의 파장을 1000㎚ 내지 1100㎚ 중 어느 하나로 고정하는 것을 특징으로 한다.
상기 공초점 현미경은, 250㎚ 내지 350㎚의 공간분해능을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 시편은, 나노 구조체 또는 바이오 물질이고, 별도의 염료처리를 하지 않는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3파 혼합 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템에 의하면, 다양한 나노구조체 또는 바이오 물질에 대해 별도의 염료 처리없이 300㎚정도의 공간분해능을 가지고 120fs정도의 시간분해능을 부여하여 물질의 진동현상을 형상화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2파 및 3파 혼합 CARS의 시간분해 곡선을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템의 2파 혼합에 대한 시간변화 프로파일을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템의 이차원 구조체에 대한 변화 프로파일을 설명하기 위한 도면이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템을 설명하기 위한 개념도이다. 도 1(a)는 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템의 개념을 설명하기 위한 도면이고, 도 1(b)는 펄스간의 간격에 따라 분자의 진동에 대한 결맞음 정도의 변화를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템(time-resolved coherent anti-stokes ranman scattering, tr-CARS)(1)은 다양한 나노구조체 또는 바이오 물질에 대해 별도의 염료 처리없이 300㎚정도의 공간분해능을 가지고 130fs정도의 시간분해능을 부여하여 물질의 진동현상을 형상화한다.
시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템(1)은 2개의 각각의 다른 광인 제1 펌프광(P1) 및 스톡스광(S)의 파장에 대한 진동을 맞춘다. 이 때, 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템(1)은 발생하는 CARS신호에 또 다른 광인 제2 펌프광(P2)에 시간차(ΔT)를 발생시켜 넣었을 경우, 발생되는 시간분해능의 원리를 사용하여 시편을 측정할 수 있다.
예를 들면, 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템(1)이 실제로 얻을 수 있는 시간분해 CARS 신호는 분자진동에 의한 전형적인 진동패턴과 다량의 물질을 검사할 때 생기는 신호가 서서히 줄어드는 현상(dephasing)을 예측할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2를 참조하면, 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템(1)은 광원부(100), 제2 전이부(translation stage)(200), 제3 전이부(300) 및 공초점 현미경(confocal microscope)(400)을 포함한다. 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템(1)은 제1 반파장판(half-wave plate, HWP)(510), 제1 광편광판(light polarizer, LP)(520), 제1 빔익스팬더(beam expander, BE)(530), 미러부(mirror)(540), 제1 빔스플리터(beam splitter, BS)(550), 제2 반파장판(560), 제2 빔스플리터(570), 제3 반파장판(610), 제2 광편광판(620), 제2 빔익스팬더(630), 제4 반파장판(640), 제1 이색미러(dichroic mirror, DM)(710) 및 높이조절부(height adjuster, HA)(720)을 더 포함한다.
광원부(100)는 펨토초(femto second, fs) 펄스파를 가지는 펌프광(P) 및 스톡스광을 출사한다. 광원부(100)는 펌프광 및 스톡스광을 출사하는 펨토초 이중 오실레이터(femto second dual oscillator)를 포함한다. 상기 펌프광 및 스톡스광은 50fs 내지 200fs의 주기를 포함하고, 50MHz 내지 100MHz의 주파수를 포함한다. 바람직하게는, 주기가 120fs이고, 주파수가 80MHz일 수 있다.
특히, 광원부(100)는 펌프광의 파장을 500㎚ 내지 1500㎚로 가변하고, 스톡스광의 파장을 1000㎚ 내지 1100㎚ 중 어느 하나로 고정한다. 바람직하게는, 펌프광의 파장이 680㎚ 내지 1300㎚로 가변하고, 스톡스광의 파장이 1040㎚로 고정된다.
여기서, 광원부(100)는 미국 뉴포트(new port)사의 Insight deepsee dual 기종일 수 있다.
광원부(100)에서 출사된 펌프광은 제1 반파장판(510), 제1 광편광판(520), 제1 빔익스팬더(530) 및 미러부(540)을 순차적으로 통과한다.
제1 반파장판(510)은 광원부(100)에서 출사된 펌프광의 강도(intensity)를 조절하고, 제1 광편광판(520)은 펌프광의 편광을 검출해주며, 제1 빔익스팬더(530)는 펌프광의 직경을 늘려준다. 특히, 제1 빔익스팬더(530)는 제1 펌프광의 직경을 3㎜ 내지 7㎜만큼 늘려준다. 바람직하게는, 펌프광의 직경을 5㎜만큼 늘려준다.
미러부(540)는 제1 빔익스팬더(530)에서 늘어난 펌프광을 반사한다. 여기서, 미러부(540)는 적어도 하나의 미러를 포함하고, 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템(1)의 각 구성요소 사이에 구비되어 광을 반사할 수 있다. 즉, 미러부(540)는 구비되는 위치를 한정하지 않고, 시편을 관찰하는 환경에 따라 구비시킬 수 있다.
제1 빔스플리터(550)는 펌프광을 50 대 50으로 분할을 하여 제1 펌프광(P1) 및 제2 펌프광(P2)을 생성한다. 즉, 제1 빔스플리터(550)는 펌프광의 50%를 투과하고, 나머지 50%를 수직으로 반사시켜 제1 및 제2 펌프광을 생성한다. 여기서, 제1 및 제2 펌프광은 펌프광에서 분할된 광이므로, 펌프광의 주기, 주파수 및 파장의 크기가 동일하다.
제1 펌프광은 적어도 하나의 미러에 반사되어 제1 전이부(200)에 통과된다. 이 때, 제1 전이부(200)는 제1 펌프광의 거리를 기 설정된 길이만큼 조절한다.
제2 펌프광은 적어도 하나의 미러에 반사되어 제2 전이부(300)에 통과된다. 이 때, 제2 전이부(300)도 제1 전이부(200)처럼 제2 펌프광의 거리를 기 설정된 길이만큼 조절한다. 특히, 제2 전이부(300)를 통과한 제2 펌프광은 제2 반파장판(560)를 통과하여 광의 강도를 조절할 수 있다.
여기서, 제1 전이부(200)와 제2 전이부(300)가 설정한 길이는 서로 다를 수 있다. 따라서, 제1 전이부(200)에 통과된 제1 펌프광과 제2 전이부(300)에 통과된 제2 펌프광은 시간적 간격이 발생되며, 이를 통해 시간차에 의한 시간분해능이 수행될 수 있다.
제2 빔스플리터(570)는 제1 전이부(200)를 통과한 제1 펌프광 및 제2 전이부(300)를 통과한 제2 펌프광을 결합시켜 제3 펌프광을 생성한다. 즉, 제2 빔스플리터(570)는 제1 펌프광 및 제2 펌프광을 50 대 50으로 하여 하나의 광으로 결합한다. 여기서, 상기 결합된 제3 펌프광은 광원부(100)에서 출사된 펌프광과 달리 시간차를 포함하는 광일 수 있다.
광원부(100)에서 출사된 스톡스광은 제3 반파장판(610), 제2 광편광판(620), 제2 빔익스팬더(630) 및 제4 반파장판(640)을 순차적으로 통과한다.
제3 반파장판(610)은 광원부(100)에서 출사된 스톡스광의 강도를 조절하고, 제2 광편광판(620)은 스톡스광의 편광을 검출해주며, 제2 빔익스팬더(630)는 스톡스광의 직경을 늘려준다. 특히, 제2 빔익스팬더(530)는 스톡스광의 직경을 3㎜ 내지 7㎜만큼 늘려준다. 바람직하게는, 스톡스광의 직경을 5㎜만큼 늘려준다. 제4 반파장판(640)는 직경이 늘어난 스톡스광의 강도를 조절한다.
제1 이색미러(710)는 제2 빔스플리터(570)을 통과한 제3 펌프광과 제4 반파장판(640)에 통과한 스톡스광을 공간적으로 평행을 유지시킨다. 여기서, 제1 이색미러(710)는 제3 펌프광과 스톡스광의 색을 선별할 수 있다.
제1 이색미러(710)를 통해 공간적 평행을 유지하는 제3 펌프광 및 스톡스광은 높이조절부(height adjuster, HA)를 통과하여 광의 높이를 조절한 후, 공초점 현미경(400)에 입사된다.
공초점 현미경(400)은 갈바노미러(galvano mirror, GM)(410), 제2 이색미러(420), 제1 밴드패스필터(band pass filter, BF)(430), 제1 광증폭튜브(photo multiplier tube, PMT)(440), 대물렌즈(objective lens, OL)(450), 집속렌즈(condenser lens, C)(460), 제2 밴드패스필터(470) 및 제2 광증폭튜브(480)를 포함한다.
공초점 현미경(400)은 입사된 제3 펌프광 및 스톡스광을 이용하여 시편을 관찰한다. 즉, 공초점 현미경(400)은 제1 펌프광, 제2 펌프광 및 스톡스광이 입사되는 것을 의미한다. 이하, 제1 펌프광, 제2 펌프광 및 스톡스광은 3파라고 한다. 또한 상기 시편은 나노 구조체 또는 바이오 물질일 수 있으며, 별도의 염료처리를 하지 않은 것일 수 있다.
공초점 현미경(400)은 상기 입사된 3파의 파장을 결정하는 갈바노미러(410)를 통과시켜 기 설정된 파장에 대한 광을 검출한다. 공초점 현미경(400)은 검출된 광을 제2 이색미러(420)에 통과시켜 광의 색을 선별한다.
공초점 현미경(400)은 선별되지 않은 광을 제1 밴드패스필터(430)를 통과시켜 특정 주파수에 대한 광을 검출하고, 제1 광증폭튜브(440)를 통과시켜 검출된 광의 파장을 검출한다.
또한 공초점 현미경(400)은 선별된 광을 대물렌즈(450)을 통과시켜 시편에 조사하고, 시편에 조사되고 통과된 광을 집속렌즈(460)에 투과시킨 후, 제2 밴드패스필터(470) 및 제2 광증폭튜브(480)를 통과시켜 특정 주파수에 대한 광의 파장을 검출한다.
여기서, 공초점 현미경(400)은 250㎚ 내지 350㎚의 공간분해능을 포함하고 있으며, 바람직하게는 올림푸스사의 BX83일 수 있다.
( 실험예 1: 2파 및 3파 혼합 CARS의 시간분해)
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2파 및 3파 혼합 CARS의 시간분해 곡선을 설명하기 위한 도면이다. 도 3(a)는 DMSO 용액에 대한 2파 및 3파 혼합 CARS의 시간분해 곡선을 설명하는 도면이고, 도 3(b)는 DMF 용액에 대한 2파 및 3파 혼합 CARS의 시간분해 곡선을 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템(1)은 2파 및 3파 혼합 CARS의 시간분해를 확인할 수 있다.
예를 들면, DMSO 용액에 대한 2파 혼합의 경우, 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템(1)은 제1 펌프광과 스톡스광이 만나는 지점(t=0)에서 피크(peak)를 이루는 전형적인 빔 프로파일을 보여줄 수 있다. 3파 혼합의 경우, 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템(1)은 전반적으로 CARS의 강도가 높아지고, 500fs 내지 1000fs 부근에서 약하지만 분명한 진동의 특성을 보여줄 수 있다.
이에 반해 휘발성이 강한 DMF 용액에 대한 2파 및 3파 혼합간의 차이는 그리 크지 않다는 것을 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템(1)을 통해 확인할 수 있다.
( 실험예 2: 2파 혼합에 대한 시간변화 프로파일)
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템의 2파 혼합에 대한 시간변화 프로파일을 설명하기 위한 도면이다. 도 4(a)는 폴리스티렌 입자에 대한 2파 혼합 CARS신호 변화 프로파일을 설명하는 도면이고, 도 4(b)는 도 4(a)에 표시된 지점들에 대한 시간에 따른 CARS신호 변화 프로파일을 설명하는 도면이며, 도 4(c)는 폴리스티렌의 벤진구조에 대한 공명지점(P1/P2: 796㎚, 3050㎝-1)과 비대칭 C-H 스트레칭 지점(P1/P2: 802㎚, 2950㎝-1)에 대해 펌프광의 파장을 맞추었을 때 나오는 CARS신호의 시간에 따른 변화 프로파일을 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템(1)은 2파 혼합에 대한 시간변화에 대한 프로파일을 얻을 수 있다.
시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템(1)은 임의로 코팅된 1㎛ 직경의 폴리스티렌 입자에 관한 2파 혼합 CARS 이미징을 얻을 수 있다. 결맞음 라만 현미경 시스템(1)은 상기 얻은 2파 혼합 CARS 이미징을 기반으로 관심구역(1, 2, 3)을 설정하여 불특정한 덩어리에서 시간분해 곡선이 아닌 한 개의 입자에서의 변화를 측정할 수 있다.
이에 따라, 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템(1)은 같은 이미징 기반으로 입자들이 각각 다른 시간변화 프로파일을 보이는 것을 분명히 관찰할 수 있다. 또한 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템(1)은 우수한 레이저 성능으로 인해 파장의 튜닝(tunning)능력이 극대화되어 파장에 따른 같은 입자의 시간분해 프로파일을 분명하게 보여주며, 특히 공명조건(3050㎝-1)에서 진동에 의한 변동(fluctuation)이 큼을 확인할 수 있다.
( 실험예 3: 이차원 구조체에 대한 변화 프로파일)
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템의 이차원 구조체에 대한 변화 프로파일을 설명하기 위한 도면이다. 도 5(a)는 그래핀에 대한 tr-CARS 변화 프로파일을 설명하는 도면이고, 도 5(b)는 MoS2에 대한 tr-CARS 변화 프로파일을 설명하는 도면이며, 도 5(c)는 ZnO 나노와이어에 대한 tr-CARS 변화 프로파일을 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템(1)의 신호 민감도는 현재 응용범위가 급속도로 넓혀지고 있는 이차원 구조체까지도 측정할 수 있다.
예를 들면, 도 5(a)는 CVD에 의해 증착된 그래핀 소재에 대한 이미징과 시간분해 CARS 프로파일이다. 이 경우, 상당시간 여기된 전자가 트래핑(trapping)되어 있는 것을 시간분해 프로파일로써 볼 수 있고, 이것들은 증착과정에서 형성된 다양한 형태의 결함들에 의해 형성될 수 있다.
도 5(b)는 실리콘 소자를 대체할 가능성이 있는 것으로 알려진 MoS2 2차원 구조체에 대한 시간분해 CARS 프로파일이다. CVD로 제조된 MoS2 2차원 구조체의 시간분해 CARS 프로파일을 보여주는 것으로 원자단위의 두께로 제어되어 광학현미경에서는 잘 보이지 않지만 CARS 이미지에 의해서는 잘 보이고 그것의 시간분해 CARS 프로파일에서 파악되듯이 전자가 일정기간 트래핑됨을 파악할 수 있다.
도 5(c)는 1㎛ 길이를 가지는 ZnO 나노와이어에 대한 시간분해 CARS 프로파일이다. 상기 ZnO 나노와이어는 합성과정 중에 거의 결함 같은 것이 존재하지 않는 것으로 알려져 있어, 이에 대한 전자가 흡수와 동시에 산란되어 나가는 거동을 볼 수 있다.
이와 같이, 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템(1)은 이미징과 시간분해 거동을 동시에 할 수 있다. 또한 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템(1)은 상기 실시예에 한정하지 않고, 실리콘과 같은 반도체 기반의 나노 구조체들의 이미징과 시간분해 CARS분석 및 지질과 아밀로이드와 같은 생체조직에 대한 정교한 시공간적 분석을 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
1: 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템.
100: 광원부
200: 제1 전이부
300: 제2 전이부
400: 공초점 현미경
410: 갈바노미러
420: 제2 이색미러
430: 제1 밴드패스필터
440: 제1 광증폭튜브
450: 대물렌즈
460: 집속렌즈
470: 제2 밴드패스필터
480: 제2 광증폭튜브
510: 제1 반파장판
520: 제1 광편광판
530: 제1 빔익스팬더
540: 미러
550: 제1 빔스플리터
560: 제2 반파장판
570: 제2 빔스플리터
610: 제3 반파장판
620: 제2 광편광판
630: 제2 빔익스팬더
640: 제4 반파장판
710: 제1 이색미러
720: 높이조절부

Claims (7)

  1. 펨토초(femto second, fs) 펄스파를 가지는 펌프광 및 스톡스광을 출사하는 광원부;
    상기 출사된 펌프광을 분할하여 제1 펌프광 및 제2 펌프광을 생성하는 제1 빔스플리터(beam splitter, BS);
    상기 생성된 제1 펌프광의 거리를 조절하는 제1 전이부(translation stage, TS);
    상기 생성된 제2 펌프광의 거리를 조절하는 제2 전이부;
    상기 조절된 제1 펌프광 및 제2 펌프광을 결합하여 제3 펌프광을 생성하는 제2 빔스플리터;
    상기 생성된 제3 펌프광 및 상기 스톡스광을 공간적으로 평행을 유지시키는 이색미러(dichroic mirror, DM); 및
    상기 평행된 제3 펌프광 및 스톡스광을 입사받아 시편의 실시간 이미징을 하는 공초점 현미경을 포함하는 3파 혼합 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광원부에서 출사되는 광의 강도(intensity)를 조절하는 복수의 반파장판(half-wave plate, HWP);
    상기 반파장판을 통과한 광의 편광을 검출하는 복수의 광편광판(light polarizer, LP); 및
    상기 광의 직경을 늘려주는 복수의 빔익스팬더(beam expander, BE)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3파 혼합 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광원부는,
    상기 펌프광 및 상기 스톡스광을 출사하는 펨토초 이중 오실레이터(femto second dual oscillator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3파 혼합 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 펌프광 및 상기 스톡스광은,
    50fs 내지 200fs의 시간분해능을 포함하고, 50MHz 내지 100MHz의 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 3파 혼합 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 광원부는,
    상기 펌프광의 파장을 500㎚ 내지 1500㎚로 가변하고, 상기 스톡스광의 파장을 1000㎚ 내지 1100㎚ 중 어느 하나로 고정하는 것을 특징으로 하는 3파 혼합 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 공초점 현미경은,
    250㎚ 내지 350㎚의 공간분해능을 포함하는 것을 특징으로 하는 3파 혼합 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 시편은,
    나노 구조체 또는 바이오 물질이고, 별도의 염료처리를 하지 않는 것을 특징으로 하는 3파 혼합 시간분해 결맞음 반스톡스 라만 현미경 시스템.

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